用于加热燃料电池堆的设备及方法
【技术领域】
[0001]在此公开的实施例总体上涉及一种用于加热燃料电池堆的设备及方法。
【背景技术】
[0002]在吉尔克里斯特(Gilchrist)的第2007/0292724号美国公布(“以下称为‘724公布”)中公开了一种燃料电池堆实施方式。所述‘724公布公开了一种在冷启动状态期间可操作的电源系统。所述电源系统包括:燃料电池堆和电力转换系统，其中，可电气操作所述燃料电池堆以产生直流(DC)电力，所述电力转换系统被电连接到所述燃料电池堆，并且可操作所述电力转换系统以从所述燃料电池堆接收DC电力。所述电源系统还包括至少一个电池和控制器，其中，所述至少一个电池被电连接到所述电力转换系统，并且可操所述至少一个电池以与所述电力转换系统交换电池DC电力，所述控制器至少可操作以控制所述电源系统的操作，使得在冷启动状态期间将至少一定量的脉动电流供应给所述电池。
【发明内容】
[0003]—种车辆包括:电力转换器，被热连接和电连接到燃料电池。所述燃料电池可用于驱动所述车辆。基于燃料电池温度，控制器可被配置为操作所述燃料电池，以产生与低于正常车辆操作电压的燃料电池电压对应的电流。此外，在所述正常车辆操作电压下，所述控制器进可操作所述电力转换器在所述正常车辆操作电压下产生电力转换器输出电压并且从所述燃料电池汲取电流，以增加所述燃料电池内产生的热。在所述电力转换器中产生的热可被传递到所述燃料电池堆，以使得加热所述燃料电池的时间最小化。
[0004]—种用于控制燃料电池的方法包括:操作所述燃料电池，以开始自加热，并且接合电连接到所述燃料电池的电力转换器内的电阻加热元件。所述方法还包括:将所述电阻加热元件热连接到所述燃料电池，以帮助加热所述燃料电池，并且当所述燃料电池的温度达到预定温度时，使得所述加热脱离接合。
[0005]根据本发明，提供一种用于控制燃料电池的方法，所述方法包括:操作所述燃料电池；接合电连接到所述燃料电池的电力转换器内的电阻加热元件；将所述电力转换器热连接到所述燃料电池，以加热所述燃料电池；响应于所述燃料电池的温度达到预定温度而使得所述加热元件脱离接合。
[0006]根据本发明的一个实施例，响应于所述燃料电池的开路电压达到阈值，所述电阻加热元件被接合，并且所述电力转换器将所述燃料电池的电压升高到操作电压。
[0007]根据本发明的一个实施例，接合所述电阻加热元件增大了所述燃料电池汲取的电流，并且增加了由所述燃料电池产生的热。
[0008]根据本发明的一个实施例，所述电力转换器经由湿式冷却系统被热连接到所述燃料电池。
[0009]根据本发明的一个实施例，所述电力转换器还包括:电感器，并且其中，接合所述电阻加热元件包括:按照大于最大功率占空比的占空比，激励所述电感器和所述电阻加热元件，使得所述燃料电池通过放热反应进行自加热。
[0010]根据本发明的一个实施例，所述方法还包括:当所述燃料电池达到所述操作电压时，绕过所述电力转换器。
[0011]—种燃料电池系统包括:燃料电池堆，被热连接和电连接到电力转换器；控制器。基于电池堆温度低于阈值，所述控制器可被配置为:操作所述燃料电池通过产生电流来进行自加热。所述控制器还可被配置为:操作所述电力转换器通过产生操作电压来进行自加热。热系统被配置为将热从所述电力转换器传递到所述燃料电池堆。
[0012]根据本发明，提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括:燃料电池堆；电力转换器，被连接到所述电池堆；控制器，被配置为响应于电池堆温度低于阈值而使得所述电池堆输出电流，以在所述电池堆内产生热，并且使得所述电力转换器输出电压，以在所述电力转换器内产生热；热系统，被配置为将所述热从所述电力转换器传递到所述电池堆。
[0013]根据本发明的一个实施例，所述电力转换器包括:电力开关和电阻加热元件。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述电阻加热元件能够被选择性地接合。
[0015]根据本发明的一个实施例，使得所述电力转换器输出电压包括:按照大于最大功率占空比的占空比，调制所述电力开关。
[0016]根据本发明的一个实施例，使得所述电力转换器输出电压包括:按照占空比范围内的占空比，调制所述电力开关，使得所述占空比的进一步增加导致所述电池堆的功率输出的减少。
[0017]根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为:选择性地绕过所述电阻加热元件，并且将所述燃料电池的电压升高到车辆牵引马达的操作电压，以使所述车辆能够在加热所述燃料电池堆的同时启动。
【附图说明】
[0018]结合权利要求的特征指出了本公开的实施例。然而，通过结合附图参照下面的详细的描述，多种实施例的其它特点将变得更加清楚并且将被更好地理解，附图中:
[0019]图1描绘了用于加热燃料电池堆的第一设备；
[0020]图2描绘了用于以高电压实施方式加热燃料电池堆的第二设备；
[0021]图3描绘了用于以低电压实施方式加热燃料电池堆的第三设备；
[0022]图4是描绘了与燃料电池堆有关的各种电学特性的图示；
[0023]图5描绘了具有用于以高电压实施方式加热燃料电池堆的第四设备的车辆；
[0024]图6描绘了用于加热燃料电池堆的第五设备；
[0025]图7描绘了用于加热燃料电池堆的第六设备；
[0026]图8描绘了用于加热燃料电池堆的第七设备；
[0027]图9描绘了用于加热燃料电池堆的第八设备；
[0028]图10是描绘与燃料电池堆有关的各种电学特性的图示。
【具体实施方式】
[0029]根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应当理解，公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代形式实现。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被夸大或缩小，以示出特定组件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能性细节不应当被解释为具有限制性，而仅是用于教导本领域技术人员以多种形式使用实施例的代表性基础。
[0030]本公开的实施例总体上提供了多个电路或其它电气装置。对所述电路和其它电气装置以及由它们中的每一个提供的功能的所有引用，并不意在限于仅涵盖在此示出和描述的电路或电气装置。虽然可给公开的各种电路或其它电气装置分配特定的标号，但是这样的标号并不意在限制所述电路和其它电气装置的操作范围。可基于期望的特定类型的电气实施方式，按照任何方式将所述电路和其它电气装置彼此组合和/或分离。应该认识到，在此公开的任何电路或其他电气装置可包括任意数量的微处理器、集成电路、存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或上述项的其它合适的变体)以及彼此协作以执行在此公开的操作的软件。
[0031]响应于电化学地转换氧气和氢气，燃料电池堆产生电力。通常，燃料电池堆包括被结合在一起的多个燃料电池，其中，每个燃料电池产生由燃料电池堆提供的电流总量的一部分。通常，燃料电池堆的冷启动可能需要向外转储(dump)电力(比如将电力转储到水乙二醇(WEG)加热器或在费电模式下使用牵引马达(或电动力传动系统))。WEG加热器被用于在冷启动模式下加热燃料电池堆。在一些实施方式中，可使用至少两个WEG加热器来启用燃料电池堆的冷启动。由于在某些情况下很少使用这些，因此这一状况增加了车辆的重量。当温度低于5°C时，通常需要与燃料电池堆有关的冷启动操作。
[0032]在冷启动模式下，燃料电池堆的全部加热可能会耗费大量的时间。这一状况可能使驾驶员在车辆中冷启动燃料电池堆之后不能简单地启动车辆。已经尝试了一些方法来短接燃料电池堆，以便加热燃料电池堆，并将燃料电池堆重新连接到车辆总线(例如，解除所述短接状